硼酸鹽阻燃劑概述

張光輝

摘 要：硼酸鹽是一種重要的阻燃材料，目前廣泛的應用建筑、橡膠、塑料及電器等行業(yè)，文章就硼酸鹽阻燃劑的分類、特點、結構、阻燃性能的測試方法、研究現(xiàn)狀、未來的發(fā)展方向和應用前景做了簡要陳述。

關鍵詞：硼酸鹽；阻燃劑；概述

隨著我國城鎮(zhèn)化不斷的發(fā)展，經(jīng)濟也得到了快速的發(fā)展，但同時也引發(fā)了一系列嚴重的社會問題，例如2010年11月15日上海的特大火災造成，造成49人死亡、70人受傷；2013年5月11日晚，安徽宿孚玉鎮(zhèn)居民住宅發(fā)生火災，火災現(xiàn)場5人死亡。這一起起火災帶給人血的教訓，引發(fā)了人們的深刻反思，除了在日常生活中規(guī)范操作和高度重視之外，還應從其它源頭做起，那就是研發(fā)具有阻燃性能的材料，盡可能杜絕此種重大事故再次發(fā)生。近年來，阻燃劑市場發(fā)展迅猛，據(jù)不完全統(tǒng)計，2007年全球阻燃劑市場消費為170萬噸， 2008年為195萬噸， 2010年為230余萬噸，2014年有望達到近300萬噸。我國也在2007年3月1日頒布了《阻燃制品標識管理辦法（實行）》，規(guī)范阻燃劑的使用，防止阻燃劑對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生影響。

1 硼酸鹽阻燃劑特點

阻燃劑的種類很多，按照使用方法可分為添加型和反應型；按照組成可分為有機阻燃劑、無機阻燃劑、無機-有機阻燃劑。有機阻燃劑主要有鹵系、磷系、六溴水散體、磷酸酯、十溴-三氧化二銻、鹵代磷酸酯等，其優(yōu)點是與有機物有很好的親和力，在塑料等阻燃體系中占絕對優(yōu)勢，但缺點是阻燃過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體和煙霧，為后續(xù)的救援造成了很大的影響，這就限制了其應用。無機阻燃劑，主要有硼酸鹽類、氫氧化物、磷酸的銨鹽、鹵化銨、硼酸等，其由于具有無毒、無煙、無鹵、無害等優(yōu)點，被廣泛的應用在建筑，裝修等很多行業(yè)，并且需求量占整個阻燃市場的50%以上，并有逐年遞增的趨勢。

硼酸鹽就是一種應用最廣的阻燃劑，目前，我國生產(chǎn)的硼酸鹽阻燃劑主要有偏硼酸鈣、五硼酸銨、偏硼酸鈉、氟硼酸按、硼酸鋅、偏硼酸鋇、氟硼酸鋅等，硼砂有防止殘焰的作用，但對防止灼焦的作用不大；而硼酸有阻止無焰灼燒的作用，但對防止殘焰的作用又不明顯，將兩者混合可以發(fā)揮協(xié)同阻燃效果，防止無焰灼燒的效果很好。在硼系阻燃劑中，硼酸鈣是一種新型的阻燃劑，硼酸鋅是一種應用最為廣泛的阻燃劑，將其添加在織物、塑料等高聚物中，有許多優(yōu)點：（1）硼酸鋅阻燃劑的安全無毒、價格低廉、性能良好。（2）添加硼酸鋅后，織物等燃燒有利于生成多孔碳層，碳層能被B2O3所穩(wěn)定。（3）硼酸鋅與其它阻燃劑混合使用，具有協(xié)同效應，可以減少煙霧量，起到降低成本的作用。（4）硼酸鋅在阻燃樹脂時，可減少高溫熔滴，防止了二次火災的發(fā)生。（5）硼酸鋅與Al（OH）3阻燃劑協(xié)同，可生成多孔硬質(zhì)玻璃陶瓷狀物質(zhì)，起到隔熱和吸附可燃與助燃氣體的作用，阻止燃燒的進一步進行。目前，硼酸鹽阻燃劑已在船舶、化工、建筑和軍事等領域廣泛應用。

2 硼酸鹽阻燃劑的結構

硼酸鹽是由金屬陽離子和硼氧聚陰離子以離子鍵結合形成的，由于硼原子可以采取sp2雜化和sp3雜化，分別形成平面三角形BO3和四面體BO4單元，BO3和BO4單元可以單獨存在，也可以通過頂點氧原子互相連接，形成聚合程度不同的硼氧聚陰離子，而硼氧聚陰離子可以發(fā)生縮聚反應脫水，通過氧原子與質(zhì)子結合形成OH-，在其它基團連接下發(fā)生形變，在水含量高時連接方式發(fā)生改變，這就導致硼氧聚陰離子結構復雜，硼酸鹽種類繁多。

3 硼酸鹽阻燃劑性能測試方法

目前，硼酸鹽阻燃劑性能的測試方法很多，歸納起來主要有以下幾種： 極限氧指數(shù)法、垂直燃燒法、熱分析法等。

極限氧指數(shù)（LOD）法的原理是將待樣品置于垂直流動的氮氣和氧氣的混合氣氛中，改變在維持總流量不變添加下，改變氧氣的流量，測量使待測樣品保持平衡燃燒時的最低氧濃度（體積百分數(shù)），用以判斷材料的阻燃性能。

垂直燃燒法的原理是垂直地夾住試樣一端，對材料的自由端施加一定的火焰，通過測定續(xù)燃時間、灼焰時間、燃燒長度或成炭率來評價材料的阻燃性能。

熱分析法是一種廣泛應用于材料可燃性和阻燃性能評價的方法。包括熱重法（TGA）、差式掃描量熱法 （DSC）和差熱分析（DTA）等。TGA法是在程序控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度的關系。分析物質(zhì)在分解過程中的質(zhì)量變化及失重速度，進而對材料燃燒過程中的穩(wěn)定性和可燃性作出評價。而DTA法和DSC法則是在相同條件下定量分析材料在不同溫度的重量及熱效應的變化情況，進而得出阻燃劑對材料的熱分解過程變化以及燃燒性能的影響，對材料的阻燃性能和阻燃機理做出判斷。

4 硼酸鹽阻燃劑的研究現(xiàn)狀

近些年來，人們已經(jīng)對硼酸鹽納米阻燃劑進行了大量的研究，并且發(fā)現(xiàn)，阻燃劑的阻燃效果與阻燃材料的顆粒尺度有關，也就是說，顆粒越小，阻燃效果越好。不同形貌的阻燃劑，阻燃效果也不相同。例如：中南大學吳志平等[1]人制備了超細硼酸鋅并測定其成炭率，研究了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 的阻燃性和抑煙效果；蘇達根等[2]人制備了納米硼酸鋅，并通過測定極限氧指數(shù)法研究其阻燃性； S. l. Li等[3]人制得了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 納米片，并發(fā)現(xiàn)2ZnO·3B2O3·3.5H2O 納米片極大地提高了PE的阻燃性能；Ayhan Mergen 等[4]采用2ZnO·3B2O3·3.0-3.5H2O制得了4ZnO·B2O3·H2O，并研究了添加不同量4ZnO·B2O3·H2O的PVC的阻燃性能，發(fā)現(xiàn)納米材料的阻燃劑性能較普通阻燃劑明顯提高，添加量較少。

5 硼酸鹽阻燃劑的發(fā)展方向

無機阻燃劑由于具有毒性小、抑煙效果好等特點，目前已廣泛的應用于建材、紡織、油漆等各行各業(yè)。但是，無機阻燃劑添加量大，阻燃效果差，這就限制了其發(fā)展。近年來，隨著納米技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將阻燃材料制備成納米型，不但可以提高材料的阻燃性和熱穩(wěn)定性，還可以減少添加量。這就促使了納米阻燃劑的飛速發(fā)展。

相信未來，阻燃劑市場將會被高效、抑煙、無毒、廉價的無極阻燃劑占據(jù)。阻燃劑未來的發(fā)展方向必然是向著：粒徑超細化、表面改性處理和協(xié)同復合技術三個主要方向發(fā)展。

參考文獻

[1]吳志平， 舒萬艮， 胡云楚，等. 超細硼酸鋅阻燃劑的制備及其性能研究[J].中國塑料， 2005， 19（3）： 83-86.

[2]蘇達根， 區(qū)翠花， 鐘明峰， 等. 納米硼酸鋅的制備及對木材阻燃性能影響研究 [J]. 貴州工業(yè)大學學報（自然科學版）， 2008， 37（3）： 61-64.

[3]Ayhan Mergen， P.H.Kemp， The chemistry of borates，part 1.Consolidate Limited[M] S.W.I， London， 1956， 68-72.